MQTT物联网协议详解和应用

大家好，这篇文章给大家介绍MQTT协议以及如何在OpenWrt系统中使用MQTT客户端和开发，并给出相关实例代码。

MQTT简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的通信协议，设计用于在低带宽和不稳定的网络环境中传输消息。它最初由IBM开发，用于连接远程设备和传感器到网络，并支持发布/订阅模型的消息通信。

MQTT被广泛用于物联网（IoT）领域，其中大量的设备需要进行实时通信和数据交换。它采用了一种发布/订阅（publish/subscribe）模型，其中消息的发送者（发布者）将消息发布到特定的主题（topic），而订阅者可以选择性地订阅感兴趣的主题，以接收相应的消息。

MQTT特点

以下是MQTT的一些关键特点：

轻量级：MQTT的设计非常轻量，协议头部非常小，传输的数据量很小，适用于带宽有限的网络环境，如低速、高延迟或不稳定的网络。

简单：MQTT的协议规范相对简单，易于实现和部署。它定义了少量的消息类型和协议操作，使得开发人员可以快速上手。

异步通信：MQTT使用异步通信模式，发布者发送消息后，不需要等待接收者的响应，可以继续执行其他操作。这种异步通信模式适合在资源有限的设备和网络中工作。

可靠性：MQTT支持三种不同的消息传递质量（QoS）级别：QoS 0（至多一次），QoS 1（至少一次）和QoS 2（只有一次）。这使得可以根据应用程序的要求选择适当的消息交付保证级别。

网络状况适应性：MQTT可以适应不稳定的网络状况，如网络中断、重连等。它具有断开连接后自动重连的机制，可以确保消息的可靠传输。

订阅和发布模型

Publisher（发布者）：发布者是消息的发送者，它将消息发布到特定的主题（topic）上。可以有一个或多个发布者。

Subscriber（订阅者）：订阅者是对消息感兴趣的实体，它选择性地订阅一个或多个主题。一旦订阅了主题，它就会接收到相应的消息。

MQTT Broker（MQTT代理）：MQTT代理是中间件，负责接收发布者发送的消息，并将其路由到对应的订阅者。它维护着主题和订阅关系的注册表，并确保消息的可靠传递。

工作流程如下：

发布者将消息发布到特定的主题上。

MQTT代理接收到消息后，根据订阅者的注册信息，将消息路由到对应的订阅者。

订阅者接收到发布者发布的消息，并进行相应的处理。

通过发布/订阅模型，MQTT允许实现解耦和灵活性，发布者和订阅者之间不需要直接的点对点连接，而是通过MQTT代理进行中转和路由。这种模型非常适合在物联网中进行大规模设备间的通信和数据交换。

MQTTQoS

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议支持三种不同的QoS（Quality of Service）级别，用于控制消息的可靠性和传输保证。以下是MQTT的三个QoS级别：

QoS 0（至多一次）：

在QoS 0级别下，消息以“至多一次”传输，没有确认机制。消息被发布后，发布者不会接收到关于消息是否成功传输或交付的确认。MQTT代理会尽最大努力将消息传输给订阅者，但可能会出现消息丢失或重复的情况。此级别适用于对消息传输的可靠性要求不高的场景，如传感器数据的临时更新等。

QoS 1（至少一次）：

在QoS 1级别下，消息以“至少一次”传输，确保至少传输一次。发布者发送消息后，会等待MQTT代理发送确认消息（PUBACK）来确认消息的接收。

如果发布者没有收到确认消息，它会再次发送相同的消息，直到收到确认为止。MQTT代理会确保消息至少传输一次给订阅者，但可能会出现重复传输的情况。此级别适用于对消息传输的可靠性要求较高的场景，如控制指令的传递。

QoS 2（只有一次）：

在QoS 2级别下，消息以“只有一次”传输，确保仅传输一次。发布者发送消息后，会等待MQTT代理发送两个确认消息（PUBREC和PUBCOMP）来确认消息的接收和完成。MQTT代理会确保消息仅传输一次给订阅者，没有重复传输的情况。

此级别提供了最高的消息传输可靠性，但也伴随着更高的网络开销。此级别适用于对消息传输的可靠性要求非常高的场景，如金融交易或严格的数据同步。选择合适的QoS级别取决于应用程序对消息传输可靠性和网络开销的要求。更高的QoS级别提供了更可靠的传输，但同时也增加了网络开销。因此，需要根据具体场景的需求来选择适当的级别。

总结

在物联网开发中我们会经常用的MQTT协议，常见的就是边缘设备和云端通信，上报实时状态、远程管理等，当然也可以局域网间通信，实现节点间通信，比如可以通过MQTT协议实现mesh数据同步、AC集中管理等，有了MQTT协议我们不需要自己通过底层socket实现私有协议，可以只关注业务处理，可大大提高程序稳定性。当然MQTT也有一些缺陷，就是订阅发布模型实现实时回复消息比较麻烦，不适合做一些状态较复杂的交互。